钙钛矿/硅叠层太阳能电池：迈向更高光电转换效率

（图源：DigitalSpace/Stock.adobe.com；图片由AI生成）

随着全球能源需求持续增长，市场迫切需要可扩展、高效率的发电技术，以取代日益老化的传统能源基础设施。传统发电厂往往需要数年建设周期和巨额资本投入，才能投入运营。光伏发电提供了一种可快速部署的替代方案，但其发电性能始终受限于材料本身的物理特性。近年来，材料科学领域取得突破性进展，催生出可编程晶体结构。这些新型结构能够直接叠加于现有光伏面板之上，从根本上改变太阳能的捕获方式。

为了解这项技术的发展轨迹，我们参考了Tandem PV首席执行官Scott Wharton的见解，他最近在贸泽的The Tech Between Us播客中讨论了这些材料科学的突破。本文将探讨传统硅基太阳能电池的物理限制，分析钙钛矿晶体的光电特性，并介绍堆叠（即叠层）架构带来的效率提升。这种架构有助于实现更高性能、更灵活的能量采集，并推动室内及电网级能源应用的发展，为下一代可再生能源电力系统提供支持。

硅太阳能电池的物理限制

由于制造工艺高度标准化且原材料丰富，硅在太阳能行业占据主导地位。受基本物理定律限制，传统硅材料无法将整个太阳光谱转换为电流，但公用事业级硅太阳能板的实际平均转换效率仍可达到约20%。^[1]单结晶硅电池的理论功率转换效率（PCE）上限约为29.4%。^[2] 在实际应用中，由于不可避免的热化与复合损耗，其可实现的最高效率通常更接近26%。^[3] 要突破这一固有的物理瓶颈，就需要采用具有不同带隙的多种吸收材料，以捕获入射光谱中不同波段的能量。

钙钛矿晶体的材料科学

为了突破标准硅材料的物理极限，工程师们将目光投向了一种能够捕获硅材料无法捕获的光谱段的材料：钙钛矿。钙钛矿具有由三种不同元素组成的独特晶体结构，并具备可调节的光电特性。工程师可在实验室中完全合成这类晶体，无需开采稀土矿物。制造工艺将原始钙钛矿转化为可印刷的半导体油墨、薄膜或粉末，使工程师能够创建厚度达100nm的沉积层。这种超薄结构意味着其活性层厚度仅为传统硅片的约1/200。制造这些超薄钙钛矿层所需的能耗仅为传统硅半导体制造过程的约10%，从而在降低单位成本的同时，减少了整个生命周期的碳排放。^[4]

叠层结构：实现更高转换效率

由于钙钛矿的光电特性可调控，工程师能够将经过专门设计的钙钛矿层直接叠加在传统硅材料之上，构建多结电池架构，从而吸收更宽波段的太阳辐射。通过叠加不同的半导体材料，这种多结架构能够覆盖更广泛的太阳光谱范围，提高光能利用率。叠层光伏阵列利用这种架构，将超薄钙钛矿顶层与现成的硅底层相结合。钙钛矿层经过专门设计，可使约40%的入射光透过并到达下方的硅层，使底层能够将剩余光谱中的能量转换为电能，从而显著提高整体能量输出。目前来自Tandem PV的机械堆叠迭代实现了28%的效率，比单层硅电池高出30%。这种特定的钙钛矿/硅叠层结构的理论极限接近45%，不过实验中的三层堆叠材料变体最终可能会将理论极限推高至50%。^[5]

柔性基板和新颖的外形规格

钙钛矿材料具有类似墨水的特性，因此能够用于刚性、易碎的硅片所无法实现的物理应用。制造商可以直接在柔性塑料、金属箔和织物上沉积钙钛矿薄膜（图1）。消费科技企业正积极尝试将这类发电墨水应用于雨伞、汽车涂层和户外服装等表面，使其具备发电能力。

图1 沉积在柔性塑料基板上的超薄钙钛矿太阳能电池，展现出极强的可弯曲性和机械韧性（图源：DigitalSpace/stock.adobe.com；图片由AI生成)

与刚性玻璃面板不同，这些柔性基板在极端物理应变下仍能保持高性能。例如，在一项研究中，承受30%压缩应变的设备仍保留了其83%的初始室外效率。^[6]这种灵活性允许工程师在不改变底层物体的空气动力或物理设计的情况下，将原本不具备发电功能的表面转变为主动发电单元。

室内能量采集能力

室内环境存在独特的光谱挑战，导致标准硅光伏电池无法有效工作。硅电池需要强光和宽光谱的室外光才能发挥最佳性能，因此不适用于低功耗的环境电子设备和物联网（IoT）硬件。然而，钙钛矿结构在较弱的室内照明条件下表现出卓越的性能。2024年的一项实验室测试显示，在870lx白光发光二极管（LED）照射下，其光电转换效率 (PCE) 达到了34%。^[7] 这意味着从环境办公室照明中提取能量，可以缓解由闲置墙壁充电器和长期连接的物联网设备造成的寄生功耗。因此，高效的室内能量采集将使开发人员能够设计出无需频繁手动更换电池的自维持无线传感器网络。

封装技术与性能衰减缓解策略

环境暴露会威胁这些晶体结构的化学稳定性。水分的危害尤为严重，当相对湿度超过70%时，会迅速导致钙钛矿太阳能电池降解。^[8]

工程师采用坚固的封装技术来阻隔湿气侵入，并永久封存内部元件。标准的公用事业级太阳能电池板在活性层两侧均使用厚玻璃，以形成高度耐用的气密密封。这种密封工艺可防止在极端天气事件或物理损坏期间发生铅泄漏。尽管活性层中含有微量铅，但坚固的气密密封可防止其逸出。气密密封方案同时能防止氧化并稳定内部离子迁移，从而大幅延长现场运行寿命。^[9]

并网与部署规模

公用事业电网需要标准化、可靠的发电设备，以加快替代传统化石燃料基础设施的进程。由于标准化太阳能组件可直接采购并快速部署，相较于天然气发电设施所需的建设周期更短，因此太阳能已成为新增并网装机容量的主要来源。2024年，全球太阳能装机容量达到600GW，其中仅中国就部署了350GW以上。^[10]与此同时，在美国，太阳能、风能和电池储能占当年全部新增电力装机容量的90%。^[11]过去十年间，电池储能组件成本暴跌了70%，这使得电网运营商能够储存白天多余的发电量，以确保晚间供电的可靠性。^[12]

Wharton指出：“我们通常认为太阳能只安装在民宅屋顶上，但在美国，住宅太阳能发电的占比不到10%。实际上，超过80%的太阳能发电来自你在高速公路上行驶时看到的太阳能发电场。 ”（图2）。

图2 公用事业级的光伏阵列与大容量电池存储系统搭配使用，可为现代电网提供数百吉瓦的电力（图源：TechNova Graphics；图片由AI生成）

结语

随着太阳能行业触及传统硅材料的物理效率极限，了解钙钛矿叠层架构的最新突破对于实现稳定现代电网所需的灵活、高效且可扩展的能量捕获至关重要。硅材料的转换效率存在略低于30%的刚性上限。钙钛矿技术突破了这些传统限制，提供了一种可印刷的高效材料，能与现有硅基板原生结合以提升发电量。灵活的部署方案可将发电范围扩展至室内空间和曲面，而严格的密封封装则解决了与湿气相关的性能退化及毒性问题。全球前所未有的安装速度凸显了向分散式可再生能源发电的快速转型，为电网提供昼夜不间断、可靠的电力。 

参考资料

[1]https://css.umich.edu/publications/factsheets/energy/solar-pv-energy-factsheet

[2]https://ieeexplore.ieee.org/document/6557081

[3]https://resources.mouser.com/eit-reduce-reuse-reimagine-tech/eit2025ttbu-episode2-en

[4]https://resources.mouser.com/eit-reduce-reuse-reimagine-tech/ttbu-rrrtech-1

[5]https://resources.mouser.com/eit-reduce-reuse-reimagine-tech/eit2025ttbu-episode2-en

[6]https://doi.org/10.1021/acsaem.3c02581

[7]https://doi.org/10.1021/acsami.4c14736

[8]https://doi.org/10.1063/5.0197154

[9]https://doi.org/10.1021/acsami.5c02993

[10]https://iea-pvps.org/wp-content/uploads/2025/04/Snapshot-of-Global-PV-Markets_2025.pdf

[11]https://www.wri.org/insights/clean-energy-progress-united-states

[12]https://resources.mouser.com/eit-reduce-reuse-reimagine-tech/ttbu-rrrtech-1